纳米药物晶体在难溶性药物中的应用

纳米药物晶体在难溶性药物中的应用

结合纳米技术（纳米科学）和药理学，产生了纳米药物，即由药物和添加剂制备的直径为1000纳米的药物颗粒（纳米颗粒、纳米脂质体、纳米药物）或纳米药物晶体（drug纳米）引起的纳米药物。前者属基质骨架型或囊泡型纳米药物制剂,制备工艺复杂,载药量较低。后者研究始于20世纪末,药物仅借助少量表面活性剂或高分子材料的作用就可达到稳定分散的纳米状态,含药量可接近100%。作为一种制剂中间体,纳米药物晶体可进一步制成适于口服、注射或其它给药途径的制剂。纳米药物晶体可解决多数难溶性药物的溶解度和溶出度问题,提高其口服生物利用度,改善体内分布等。近10年来,有关纳米药物晶体的研究得到国内外的广泛关注,并取得令人瞩目的成就,2001年至今FDA已批准多个相关产品上市。本文着重介绍纳米药物晶体制备技术的研究进展。1纳米尺寸药物晶体法沉淀法是在搅拌下将药物的良溶剂溶液加入到可混溶的不良溶剂中,药物过饱和析出,通过控制晶核形成和生长的速度可得到纳米尺寸的药物晶体。该法操作简单,成本低,制得粒子粒径小,分布窄。一些新技术和新工艺的应用,使沉淀法成为一种极具前景的纳米药物晶体制备技术。1.1法imeaxetil-双亚合成法Chen等运用超重力反溶剂沉淀技术(highgravityantisolventprecipitation,HGAP)制备了纳米级的头孢呋辛酯(cefuroximeaxetil)。头孢呋辛酯的丙酮溶液和水相分别以10和200L/h的流速经两个液体分布器进入超重力旋转床,在438倍重力加速度条件下混合,在出水口收集混悬液,过滤,滤液减压干燥得纳米级粉末,平均粒径305nm,粒径分布范围100~400nm。HGAP技术使液体在超高重力加速度下以液滴、细线或薄膜的形态混合,减小了传质阻力,实现了高效的传质过程,传质能力比传统搅拌器提高了1~3个数量级,液体间的微观混合时间缩短到100µs,目前已广泛用于超细粉加工和纳米材料制备等诸多领域。1.2y型通道的出口Ali等运用微流控反应器(microfluidicreactor,见图1)制备了氢化可的松纳米晶体。药物的乙醇溶液和水分别以1、2.5ml/min的流速经内径为0.5mm的Y型通道汇流入公共通道,药物过饱和快速析出;获得的混悬液迅速置于含稳定剂的溶液中搅拌混合,可得到平均粒径500nm的药物晶体。影响晶体粒径的因素主要有液体流速、公共通道的内径和Y型通道的入口角(inletangle)。流体流速增加,在反应器内停留时间减少,晶体生长的趋势减缓,晶体粒径小;通道内径越小,扩散所需时间越少,晶体粒径越小;入口角小,流体碰撞引起的静水区域小,晶体的生长几率低,晶体粒径小。微流控反应器沉淀法操作简便可控,重复性好。1.3非离子型稳定剂纳米晶体是高度分散的多相体系,拥有巨大的比表面积,需用稳定剂维持稳定性。稳定剂吸附于药物晶体的表面,一方面使疏水性药物的表面得到充分润湿,另一方面利用空间位阻避免粒子聚集。纳米粒子的稳定性取决于范德华力和静电斥力叠加后的总效应。粒子间距离越大,带电荷越多,稳定性越好。用于纳米药物晶体制备的稳定剂主要有表面活性剂和亲水性高分子材料,常用的非离子型稳定剂主要有泊洛沙姆、吐温、羟丙甲纤维素(HPMC)、羟丙纤维素(HPC)、聚乙烯醇(PVA)等;离子型稳定剂有十二烷基磺酸钠(SLS)、磷脂和胆酸衍生物等。两类稳定剂合用可产生协同作用,但某些稳定剂间会相互作用而引起聚集。Douroumis等用沉淀法制备卡马西平纳米药物晶体,考察了高分子材料的稳定作用,不加稳定剂时析出的药物结晶迅速变大,明胶、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)和PVA的稳定效果较差,3%PVP维持稳定的时间小于5h;HPMC和甲基纤维素(MC)效果较好,两者浓度为2%时均可使10~20nm的药物晶体在1个月内保持稳定。这是因为纤维素醚类稳定剂结构中含有较多甲氧基和羟丙氧基,表面活性高,能较好地吸附在晶体表面,并与卡马西平形成氢键,阻止晶体生长,而PVP每个结构单元只有一个羰基可形成氢键。将PVP和HPMC合用时,由于PVP能破坏HPMC分子链间的氢键,并与之相互作用,在纳米药物晶体边界层聚集,利用空间位阻效应增强晶体稳定性。2o酸沉淀法分散法(disperiontechnology)克服了沉淀法中药物必须溶于一种溶剂的限制,适用于在水相、有机相中均难溶的药物。分散法主要包括介质碾磨法和高压均质法两种。2.1普生纳米药物晶体的制备介质碾磨法是一类典型的湿法碾磨技术(wetmilling),20世纪前期已广泛用于食品、化工、冶金等行业。20世纪90年代初,NanoSystem公司(现为Elan公司)首先申请专利,将介质碾磨法用于纳米药物晶体的制备,称之为“纳米晶体技术(NanoCrystaltechnology)”。应用该技术上市的产品有惠氏制药公司的强效免疫抑制剂西罗莫司(sirolimus)片剂、默克制药公司的化疗止吐药阿瑞吡坦(aprepitant)胶囊剂、雅培制药公司的非诺贝特和帕尔制药公司的甲地孕酮。介质碾磨法的制备技术主要涉及碾磨机和碾磨介质。碾磨过程是将分散有药物粉末的液体与一定量碾磨介质置于封闭的碾磨室中,碾磨杆带动桨片高速转动,使药物粒子之间、药物粒子与碾磨介质及器壁之间发生持续的强烈撞击,从而制得纳米粒子。影响碾磨效果的因素除药物性质、稳定剂种类和用量外,还有接触点(contactpoint)数目和应力强度(stressintensity)等因素。碾磨介质按材料不同可分为玻璃珠、陶瓷珠(铈或钇稳定的氧化锆)、不锈钢珠和高交联度聚苯乙烯树脂包衣小球等。碾磨介质的粒径和用量对碾磨效果影响较大,通常采用粒径数百微米到数毫米不等的球形珠,用量约占整个碾磨室体积的2/3。研磨过程多采用循环模式,即初次碾磨后大颗粒药物和碾磨介质被截留在碾磨室,通过滤网的小粒子药物进入再循环室进行新一轮碾磨,直到粒径符合要求。碾磨介质粒径越小,同等重量下数量和接触点越多,碰撞频率越高,碾磨效果越好。一般最终得到的药物粒子粒径与碾磨介质的粒径直接相关,约为后者的1/1000,即若碾磨珠粒径200µm,所得产物的平均粒径约为200nm。转速是碾磨机的重要参数之一,决定着整个体系的动能。转速越高,粒子运动越快,则碾磨效率越高。通常碾磨机中心杆转速达每分钟上千转,液面的圆周线速度为5~15m/s。当介质粒径小于100µm时,介质间隙起着过滤作用,将大粒子截留并打碎,因此能在低于4m/s的圆周线速度下同样得到小粒径的粒子,这种改进的技术被称为柔和分散(milddispersion)。该法采用极小粒径的碾磨介质,利用多重柔和碰撞(multiplemildcontacts)代替单次强烈碰撞,在不降低效率的前提下使碾磨过程更温和。此外,对于热不稳定药物,碾磨室内需装配冷却系统,防止碾磨时温度升高影响药物的稳定性。碾磨分散过程涉及晶体的破裂、稳定剂在药物表面的吸附和解吸附、药物的溶解和重结晶、粒子的聚集和分散以及高分子胶束的形成等一系列复杂过程,需要设计周详的实验条件和参数,否则难以获得稳定性良好的纳米晶体。如某些高分子稳定剂的加入会增加碾磨体系的黏性,并在循环过程中堵塞滤网;一些玻璃珠属于碱石灰系列,不适于pH敏感型药物。Ain-Ai等用碾磨法制备萘普生纳米晶体,当药物浓度为100mg/ml时,采用1%HPC可制得粒径约400nm的药物晶体,而1.2%(w/v)的盐酸精氨酸不能提供足够的稳定作用。当药物浓度提高到300mg/ml,1%HPC与1.2%盐酸精氨酸合用或4%HPC才能制得稳定的纳米药物晶体。Lee等考察了5种稳定剂(HPC、PVP、泊洛沙姆407、泊洛沙姆188、PEG80000)的作用,结果表明泊洛沙姆对药物粒子的吸附作用比PEG更强,能阻止粒子聚集。泊洛沙姆188的稳定作用优于泊洛沙姆407,这可能与前者分子量小有关。介质碾磨法制备过程简单,适用于水相和有机相均不溶的药物,产物粒径可控,重现性好,易于放大生产。但介质的磨损残留是该法的一大缺陷,通常不适于注射途径给药及用于治疗慢性疾病的药物。Elan公司的纳米晶体技术采用高交联度聚苯乙烯树脂作为碾磨介质,残留单体小于5×10-8,生产过程中带入的不溶性杂质小于5×10-5。此外,随着柔和分散技术的应用,碾磨过程可在较短时间和较温和条件下进行,也能有效减少或避免污染。2.2高压法2.2.1基于基本信息的深刻性成药法高压均质法根据均质原理分为微射流法、超音速液体流法及活塞-裂隙(piston-gap)均质法。微射流法是用气流将药物混悬液加速通过特别设计的管腔,经多次改变方向,使药物粒径减小。该法效率不高,循环需多达50~100次,常得到微米级粒子,更适合粉碎纤维质和油质的药物。超音速液体流法通过特定设备使药物混悬液以超音速从喷嘴喷出,产生的空穴效应将药物粒子分散为纳米粒径,但生产成本高。活塞-裂隙均质法是通过高压泵将预粉碎的药物混悬液导入可调缝隙的均质阀中,瞬间降压的物料以极高的流速喷出,碰撞在阀组件之一的碰撞环上,产生剪切、撞击和空穴3种效应,达到细化和均质的作用。该法目前研究和应用最多。根据分散相的不同,主要可分为水相均质法(dissocubes)和非水相-水相混合均质法(nanopure)。Dissocubes技术工艺简单、周期短、重现性好,但用水作分散相不便于后续的干燥过程,尤其对熔点低的药物,须采用高成本的冷冻干燥技术。Nanopure被称为第二代纳米药物晶体技术,它克服了Dissocubes的缺点。用油或液态PEG作分散相,得到的纳米药物晶体混悬液可直接灌装胶囊。将PEG1000或6000加热至熔融状态,混悬在其中的药物微粒经均质粉碎后降温,药物分散于PEG固体骨架中,有利于减少聚集和晶体生长;用水-甘油作分散相制得的纳米晶体还可以作为中间体继续加工成注射用乳剂。2.2.2高压均质过程高压均质机主要由高压泵和均质阀组成,高压泵将一定黏度的药物混悬液吸入泵体并施压,根据混悬液黏度和均质压力调节阀芯和阀座之间的间隙,从而控制整个系统的能量密度。药物粒子反复多次在高速流动过程中经过剪切、撞击和空穴效应的作用实现超细粉碎。Nanopure技术中由于分散相的蒸汽压低,流过狭缝时不会沸腾产生大量气泡,因而瞬间强大压降时的空穴效应不显著,但剪切和碰撞作用足够使粒子粉碎至纳米级。影响均质效果的因素主要有药物性质、均质压力、循环次数、循环时间和温度等。在均质过程中,当粒子间的相互作用力等于施加的压力时,分散效果达到最佳,即使增加循环次数粒径也不再减少。在高压均质过程中,为获得更小粒径的药物晶体,通常均质压力为500~1000bar,甚至更高。但压力升高与粒径减少之间并没有线性关系,当压力高于一定值后对减小粒径的作用不显著。且压力越高,仪器的磨损越严重。Mishra等用高压均质法制备纳米晶体,1500bar循环5~10次时粒径下降到500nm,循环15次,粒径减小至200nm,继续循环至30次,粒径基本无变化。为避免大粒径药物堵塞均质阀间隙,也为了减少循环次数,通常将药物预微粉化。药物粒子的硬度影响均质效果。对于硬度较低的药物如紫杉醇,在1500bar压力下循环10~20次,粒径即达到250nm;而两性霉素B、伊曲康唑等在相同的条件下得到约500nm的粒子。药物也可先经气流粉碎或匀浆器粉碎后,从较低均质压力开始,循环几次,直到粒径合适后,再逐渐增大压力。李学明等将非诺贝特在85℃水浴中熔融后,与表面活性剂的水混悬液混合,经高剪切乳化器乳化(10000r/min)3min,然后置高压均质机中,分别在300、500bar循环3次,再加压到800bar循环12次,制得的药物晶体平均粒径小于400nm。药物经熔融处理后对均质机的磨损大为减少。Nanopure技术中采用的分散相凝点低,均质过程可在较低温度下进行,有利于热敏感药物的分散。文献报道偶氮二甲酰胺(azobisformamide)在室温下高压均质会产生二氧化碳气体,而在0℃条件下采用Nanopure技术粉碎能够保持其化学稳定性。3乳化-扩散法乳化法系在溶有药物的有机相中加入含表面活性剂的水相制成o/w型乳剂,通过减压干燥等方式将有机溶剂除去,产物经高速离心可得到药物纳米晶体。该法常采用沸点较低的氯代烷烃为分散相,如二氯甲烷、氯仿等,但这些残留溶剂会对环境和人体造成危害。随后发展的微乳化法又称乳化-扩散法,采用可部分溶于水的有机溶剂作分散相,制成乳剂后加水稀释,药物在从有机相向连续相扩散的过程中沉淀析出。该法适用于在水中的溶解度小于1mmol/L且在有机相中溶解性好的药物。乳化-扩散法常用的有机溶剂毒性较小,如三乙酸甘油酯、乳酸丁酯、苯甲醇、乙酸乙酯等。有机溶剂的水混溶性越好,接触大量水相后扩散速度越快,药物能迅速达到局部过饱和,成核作用强于晶体生长,得到纳米晶体。Trotta等用乳化-扩散法制备米托坦(mitotane)纳米晶体,有机相为乳酸丁酯和苯甲醇时制得的乳滴粒径为200~300nm;采用三乙酸甘油酯时,由于其分子较大,从表面活性剂中透过的能力弱,制得的晶体粒径较大。通过优化油水两相比例、稳定剂、乳化温度、搅拌时间等条件,可以制得适宜粒径的药物纳米粒子。微乳化法制备药物纳米晶体时常联合应用多种稳定剂,如SLS-PVP,吐温80-癸基葡聚糖苷,吐温80-卵磷脂等。Kocbek等以微乳化法制备布洛芬纳米晶体,采用吐温-80为稳定剂制得的药物粒径小于单用PVA、PVP及泊洛沙姆188等高分子材料,而联用吐温80-PVP或吐温80-泊洛沙姆188制得的药物纳米晶体具有更好的长期稳定性。这主要是因为高分子材料的空间位阻大,吐温-80的亲水区域和布洛芬的亲水基团之间亲和力强,两者合用可产生协同作用。此外,稀释过程中由于有机相的水混溶性和乳化剂组成的不同,有机溶剂扩散进入水相的难易程度也不同。乳酸丁酯和乙酸乙酯的水混溶性好于苯甲醇,因此稀释时扩散较快,需加入的水较少,最终得到的混悬液中药物含量高。稀释时搅拌速度越快,溶剂扩散越快,沉淀得到的药物粒径越小。乳化法和微乳化法制备过程简单,不需特殊设备,但通用性不强,且存在有机溶剂残留等安全问题。4ress法制备纳米药物晶体的研究超临界流体结晶法是利用超临界流体如二氧化碳等与药物溶液混合后从喷嘴喷出,在几十微秒内形成超细微粒。通过调节压力、温度、流量、药物浓度等参数,可以控制药物粒径大小与晶型。与传统的沉淀法相比,得到的微粒结晶理想、表面光滑、粒径均匀;与分散技术相比,制备时间大大缩短。根据超临界流体在结晶过程中发挥作用的不同,超临界流体结晶法主要分为超临界溶液的快速膨胀技术(rapidexpansionofsupercriticalsolution,RESS)和超临界反溶剂技术(supercriticalantisolvent,SAS)。它们均利用药物溶液在超临界流体中产生的过饱和态实现药物再结晶,得到纳米药物晶体,但工作方式相反。影响RESS法的因素主要有药物浓度、超临界流体压力及预膨胀室的温度。若药物在超临界流体中溶解度大,则增大浓度可制得较小的粒子;反之,药物溶解度小,增大浓度时得到的药物粒径较大。压力和温度主要影响超临界流体的密度,从而影响药物在其中的溶解度。当药物在超临界流体中溶解较差时,可加入乙醇、丙酮等夹带剂提高其溶解度,并调节粒子间的相互作用。Thakur等用RESS法制备了苯妥英钠纳米晶体。在196bar和45℃下,药物在超临界CO2中的溶解度为3µmol/mol,加入薄荷醇作为固体夹带剂后,溶解度为1302µmol/mol。在96bar和45℃条件下,不加和加入固体夹带剂得到的终产品平均粒径为200和120nm;在196bar和45℃条件下,则所得终产品平均粒径为105和750nm。RESS法操作简单,流程短,耗能小,无有机溶剂污染,在制备药物纳米晶体方面有广阔的应用前景。缺点是CO2消耗大,且不适于在超临界CO2中不溶解物质的粉碎。SAS法主要用于不溶于超临界CO2流体的药物,应用更广泛。在整个过程中,药物从超临界流体到液滴的质量传输决定了微粒形成速率,而药物从液滴到超临界流体的质量传输决定了微粒凝聚程度,前者与药液雾化效率密切相关,后者取决于液滴与超临界流体混合程度。制备药物纳米晶体的关键是加强液滴和反溶剂间的传质,减少液滴聚集。传统的SAS法制得的药物晶体粒径通常大于1µm。Subramaniam等在喷嘴部位加入超声装置,促进了液滴和超临界流体的分散作用,增加了溶剂与反溶剂的接触面积,加强了液滴和反溶剂间的传质,可制得纳米级粒径的晶体。同时,适当增大输送药物溶液的管道直径,可减少喷嘴堵塞的几率。Chattopadhyay等利用SAS法制备溶菌酶微粒,未超声时药物粒径为1.2µm,随着超声功率从12W提高到90W,平均粒径从730nm降低至190nm。但进一步增大超声功率粒径反而增大,这可能是由于过于剧烈的振动使微粒间碰撞加剧,易于聚集。5两种方法同时使用5.1药物微观结构的药物提取Nanoedge技术由Baxter公司于2001年研发,它在药物沉淀析出微细结晶的基础上输入高能量如超声、微流化等,通过剪切、碰撞或空穴效应“巩固”了其晶体形态。其中最常见的是将沉淀法与高压均质法合用,但仍不能克服沉淀法对溶剂要求的限制。5.2均质作用对产品稳定性的影响应用乳化法时,通常需将初乳液经高压均质制得均匀的小乳滴;或在药物析